景 濤

（1.中冶長(zhǎng)天國(guó)際工程有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410205；2.中南大學(xué)資源加工與生物工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083）

作為能源密集型的冶金生產(chǎn)工業(yè)占據(jù)全國(guó)能源總消耗量的16%左右，與之相關(guān)的余熱余壓回收等節(jié)能減排措施備受關(guān)注。燒結(jié)工序是冶金全流程生產(chǎn)的前端，約占企業(yè)能源總消耗量的9%～12%，節(jié)能是冶金企業(yè)節(jié)能減排的重點(diǎn)?？v觀燒結(jié)生產(chǎn)全過程，總熱量占比50%～60%的燒結(jié)礦顯熱是在冷卻機(jī)上被鼓風(fēng)冷卻排出，這部分熱廢氣的溫度因冷卻位置的不同而不同，平均溫度在250℃左右，占比燒結(jié)工序總能耗的29%[1-3]，如果能夠充分利用這些在冷卻機(jī)上被釋放的熱量，將是提高燒結(jié)工序能效和降低燒結(jié)工序能耗的極好途徑。

1 環(huán)冷機(jī)熱廢氣利用現(xiàn)狀

自燒結(jié)機(jī)機(jī)尾落下的燒結(jié)礦溫度較高，有700℃～800℃，需要冷卻到120℃以下，大部分燒結(jié)廠采用環(huán)冷機(jī)對(duì)燒結(jié)礦進(jìn)行冷卻[5]。由于環(huán)冷機(jī)是通過鼓風(fēng)機(jī)將冷空氣經(jīng)風(fēng)管穿過臺(tái)車進(jìn)入熱燒結(jié)礦料層并與之進(jìn)行熱交換，使熱燒結(jié)礦逐漸得到冷卻，因此就產(chǎn)生大量環(huán)冷機(jī)熱廢氣，其含塵濃度在300～80mg/Nm3之間[1，3，4]。

目前，國(guó)內(nèi)冶金企業(yè)對(duì)環(huán)冷余熱的利用，大部分只選擇了環(huán)冷機(jī)中高溫區(qū)300℃以上的熱廢氣，其回收利用方式主要分三種：一是將熱廢氣用于熱風(fēng)點(diǎn)火助燃，亦或通入機(jī)頭混合料倉(cāng)預(yù)熱混合料，達(dá)到降低燒結(jié)固耗目的，此法雖然簡(jiǎn)單有效，但對(duì)熱廢氣的利用率極低，且能被利用的熱廢氣量占比不到總廢氣量的10%；二是通過換熱裝置或余熱鍋爐將熱廢氣用于生產(chǎn)蒸汽，并入廠區(qū)蒸汽總管網(wǎng)，代替一部分的燃料鍋爐，利用此種方式的冶金企業(yè)不多；三是通過余熱鍋爐產(chǎn)蒸汽后進(jìn)行發(fā)電，該方式可利用約40%的環(huán)冷熱廢氣，能夠使全廠熱效率達(dá)到20%，為大多數(shù)冶金企業(yè)所采納[4-6]。而300℃以下的低溫區(qū)環(huán)冷熱廢氣，由于溫度低，利用難度大，利用成本高，大部分企業(yè)未予以考慮，直接外排至大氣，除造成廢氣余熱資源的浪費(fèi)外，還造成環(huán)境的熱污染和顆粒物排放不達(dá)標(biāo)，目前部分地區(qū)顆粒物排放標(biāo)準(zhǔn)值為50mg/Nm3，如何在保證燒結(jié)礦產(chǎn)、質(zhì)量指標(biāo)的前提下，增加余熱利用率，解決環(huán)冷機(jī)低溫?zé)釓U氣無(wú)組織排放嚴(yán)重的現(xiàn)象，成為冶金企業(yè)急需解決的難點(diǎn)和廣大學(xué)者的研究重點(diǎn)。

2 環(huán)冷機(jī)零排放技術(shù)

環(huán)冷機(jī)零排放技術(shù)是在三燒結(jié)大修改造工程600㎡燒結(jié)機(jī)設(shè)計(jì)過程中，因環(huán)評(píng)部門明確要求環(huán)冷機(jī)不得存在無(wú)組織排放，且有組織排放不能達(dá)標(biāo)則需設(shè)置除塵設(shè)施，為了滿足上海市最嚴(yán)格的環(huán)保要求，中冶長(zhǎng)天在設(shè)計(jì)過程開發(fā)出來(lái)的一種環(huán)冷機(jī)煙氣綜合利用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了環(huán)冷機(jī)熱廢氣零排放及粉塵不外排的目標(biāo)。

按臺(tái)車運(yùn)轉(zhuǎn)方向，如圖1所示，環(huán)冷煙氣共分余熱鍋爐產(chǎn)蒸汽、熱風(fēng)點(diǎn)火、熱風(fēng)循環(huán)（包含低溫余熱ORC發(fā)電）、串級(jí)利用四部分利用。

圖1 環(huán)冷機(jī)熱廢氣零排放技術(shù)工藝流程圖

（1）環(huán)冷機(jī)的高溫段設(shè)直聯(lián)爐罩式余熱鍋爐（自帶除氧器），采用能源梯級(jí)利用技術(shù)回收熱能產(chǎn)蒸汽。當(dāng)燒結(jié)機(jī)正常生產(chǎn)時(shí)：余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽量約為：1.8MPa、280℃的高參數(shù)過熱蒸汽60～80 t/h及0.5MPa、180℃的低參數(shù)過熱蒸汽15～20 t/h。這一部分煙氣溫度約350℃，總量108萬(wàn)Nm3/h，經(jīng)鍋爐換熱后煙氣溫度將至約133.5℃。為提高余熱利用效率，同時(shí)降低自用電率，占比78%的排氣通過循環(huán)風(fēng)機(jī)返回環(huán)冷機(jī)，剩余排氣通過引風(fēng)機(jī)進(jìn)入原2#環(huán)冷鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)口提高進(jìn)口風(fēng)溫或視燒結(jié)礦冷卻情況排入2#環(huán)冷鼓風(fēng)機(jī)循環(huán)利用。

（2）剩余的高溫段煙氣作為熱風(fēng)點(diǎn)火，300℃左右高溫?zé)煔饧s12.84萬(wàn)N m3/h通過有動(dòng)力引風(fēng)方式收集后用于點(diǎn)火助燃及熱風(fēng)保溫。點(diǎn)火助燃技術(shù)是燒結(jié)機(jī)點(diǎn)火爐節(jié)能減耗最簡(jiǎn)便有效的措施，可提高燃燒溫度、保證點(diǎn)火強(qiáng)度、降低燃?xì)鈫魏?%～11%。熱風(fēng)保溫是對(duì)點(diǎn)火燃燒后的燒結(jié)礦進(jìn)行5min～6min保溫，一方面可強(qiáng)化燒結(jié)過程、降低混合料內(nèi)配碳比，另一方面可避免因表層溫度急劇下降造成的燒結(jié)礦“冷脆性”，進(jìn)一步提高燒結(jié)成品率。

（3）熱風(fēng)循環(huán)是把中低溫段熱煙氣（約180℃）經(jīng)余熱ORC發(fā)電后的廢氣（約115℃）和環(huán)冷機(jī)低溫段的煙氣（約75℃）通過軸流風(fēng)機(jī)、均勻送風(fēng)裝置混勻后送到燒結(jié)機(jī)臺(tái)車料面上進(jìn)行燒結(jié)。在燒結(jié)生產(chǎn)過程中，由于料層自蓄熱作用，料層上部熱量不足，溫度比較低，而料層下部的熱量過剩，溫度較高。同時(shí)，料層上部因抽入冷風(fēng)而急劇冷卻，燒結(jié)相來(lái)不及結(jié)晶，易形成大量玻璃質(zhì)，且產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力和裂紋，固降低了表層燒結(jié)礦強(qiáng)度。熱風(fēng)循環(huán)的工藝以環(huán)冷機(jī)煙氣的物理熱代替部分固體燃料的化學(xué)熱，而使燒結(jié)礦上層冷卻速度下降，熱應(yīng)力降低，上下層燒結(jié)礦質(zhì)量趨于均勻，從而提高了燒結(jié)礦成品率。

（4）采用串級(jí)利用技術(shù)，將剩余約46萬(wàn)Nm3/h的低溫段煙氣通過管道引入4#、5#環(huán)冷鼓風(fēng)機(jī)循環(huán)利用，實(shí)現(xiàn)燒結(jié)區(qū)域無(wú)組織熱廢氣零排放目標(biāo)，達(dá)到上海市的最嚴(yán)格環(huán)保要求。環(huán)冷機(jī)零排放技術(shù)因環(huán)保壓力而生，但其實(shí)際應(yīng)用效果明顯，集成了余熱鍋爐產(chǎn)蒸汽并網(wǎng)發(fā)電、熱風(fēng)點(diǎn)火、熱風(fēng)循環(huán)等先進(jìn)技術(shù)，將環(huán)冷機(jī)高溫、中溫、低溫?zé)釓U氣全部進(jìn)行了充分利用，為打造水凈天藍(lán)空氣清新的人類生存環(huán)境做出了貢獻(xiàn)，值得在所有新建燒結(jié)項(xiàng)目上推廣應(yīng)用。

3 環(huán)冷機(jī)低溫?zé)釓U氣再利用方法

3.1 用于熱風(fēng)燒結(jié)

有些冶金企業(yè)嘗試對(duì)300℃以下的低溫環(huán)冷熱廢氣進(jìn)行利用，首選工藝當(dāng)屬熱風(fēng)燒結(jié)，而熱風(fēng)燒結(jié)工藝在使用過程中可分為無(wú)動(dòng)力型熱風(fēng)燒結(jié)（老熱風(fēng)燒結(jié)工藝）和有動(dòng)力型熱風(fēng)燒結(jié)（新熱風(fēng)燒結(jié)工藝），前者大都隨燒結(jié)機(jī)的新建而設(shè)計(jì)，后者常見于燒結(jié)機(jī)投運(yùn)后改造新增。

無(wú)動(dòng)力型熱風(fēng)燒結(jié)主要依靠環(huán)冷機(jī)鼓風(fēng)余壓、主抽風(fēng)機(jī)負(fù)壓和熱壓差來(lái)將環(huán)冷機(jī)上未經(jīng)過除塵的低溫?zé)釓U氣送入位于點(diǎn)火爐后的燒結(jié)機(jī)密封罩內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)的方法，普遍反應(yīng)使用效果不好，關(guān)鍵原因在于沒有足夠的鼓風(fēng)余壓、主抽風(fēng)負(fù)壓和熱壓差，沒有將燒結(jié)機(jī)熱風(fēng)燒結(jié)區(qū)域密封好，也沒有及時(shí)對(duì)熱風(fēng)管道進(jìn)行清灰。有動(dòng)力型熱風(fēng)燒結(jié)是將環(huán)冷機(jī)上經(jīng)過除塵后的低溫?zé)釓U氣通過風(fēng)機(jī)引入位于點(diǎn)火爐后的燒結(jié)機(jī)密封罩內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)的方法，該新工藝考慮到梯級(jí)取風(fēng)及設(shè)備檢修，在環(huán)冷機(jī)和多管除塵器之間設(shè)塵氣蝶閥；設(shè)計(jì)的多管除塵器可去除環(huán)冷熱廢氣中攜帶的粉塵，以減輕后續(xù)設(shè)備及管道的磨損，同時(shí)可凈化環(huán)冷機(jī)附近的工作環(huán)境，而多管除塵器內(nèi)的除塵灰通過雙層卸灰閥卸到配料膠帶機(jī)上再次參與配料；煙氣分配器與燒結(jié)機(jī)臺(tái)車密封罩相聯(lián)，可將由環(huán)冷回?zé)犸L(fēng)機(jī)引出的熱風(fēng)均勻分布到燒結(jié)機(jī)臺(tái)車表面。

目前，無(wú)動(dòng)力型熱風(fēng)燒結(jié)幾乎被廢棄不用，有的干脆被拆除或者改為有動(dòng)力型。作為有動(dòng)力型的熱風(fēng)燒結(jié)新工藝，主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)在于總量控制、梯級(jí)取風(fēng)、均勻送風(fēng)和負(fù)壓吸附式可移動(dòng)密封罩等方面[4]。該工藝在唐山國(guó)豐230㎡燒結(jié)機(jī)上應(yīng)用后，使其生產(chǎn)利用系數(shù)提高了0.07t/㎡·h，轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度提高了0.65%，F(xiàn)eO含量降低了0.6%，固體能耗降低了約3kg/t，環(huán)冷熱廢氣總排放量下降約50%，解決了目前環(huán)冷機(jī)低溫?zé)釓U氣無(wú)組織排放嚴(yán)重的現(xiàn)象和現(xiàn)行無(wú)動(dòng)力熱風(fēng)燒結(jié)工藝存在的不足，在保證燒結(jié)礦產(chǎn)量和質(zhì)量指標(biāo)的前提下，可降低固體能耗、減少熱廢氣排放量、增加余熱利用率，是一種值得推廣使用的工藝技術(shù)。

3.2 用于熱風(fēng)點(diǎn)火

高爐燃?xì)鉄嶂档停鳛闊Y(jié)機(jī)的點(diǎn)火燃料效果不如天然氣、焦?fàn)t燃?xì)饧盎旌蠚怏w，而采用預(yù)熱助燃空氣的方法可增強(qiáng)高爐燃?xì)獾睦眯Ч?，但要配套建設(shè)預(yù)熱爐，增加了投資和燃?xì)庀牧俊?/p>

采用熱風(fēng)點(diǎn)火工藝，將環(huán)冷機(jī)低溫?zé)釓U氣（150℃～300℃）經(jīng)過凈化后作為點(diǎn)火助燃空氣使用，可減少投資及高爐燃?xì)庥昧?。研究表明，環(huán)冷機(jī)低溫?zé)釓U氣主要成分為N2（約占79%），O2其次（約占16%），再就是CO和CO2等（約占5%），與空氣成分非常相似，作為點(diǎn)火助燃空氣完全滿足要求。再者，具有150℃～300℃左右溫度的環(huán)冷機(jī)低溫?zé)釓U氣，無(wú)需預(yù)熱即能保證高爐燃?xì)庹Ｊ褂?，還可大幅提高燃?xì)獾氖褂眯剩?jié)省固體燃料用量[6]。

目前，許多冶金企業(yè)都已采用熱風(fēng)點(diǎn)火工藝，但點(diǎn)火用助燃空氣量畢竟有限，仍有大量低溫?zé)釓U氣選擇自然排放，說(shuō)明有待尋找其它利用途徑，或是與熱風(fēng)燒結(jié)或煙氣循環(huán)技術(shù)同步使用，這樣效果會(huì)更顯著。

3.3 用于煙氣循環(huán)

煙氣循環(huán)燒結(jié)工藝因?qū)Y(jié)過程產(chǎn)生的熱廢氣重復(fù)利用度高受到重視，其回收煙氣中的顯熱和潛熱具有很好的效果，不但提高了燒結(jié)煙氣的熱利用率，而且能降低固體燃料消耗，減少煙氣外排量，提高粉塵、SO2和NOx處理濃度，還使得脫硫、脫硝的投資及運(yùn)行成本得到降低，起到了一定節(jié)能減排效果[7,8]。

目前，國(guó)內(nèi)外冶金企業(yè)的燒結(jié)機(jī)有很多都采用了煙氣循環(huán)燒結(jié)工藝，主要分為內(nèi)循環(huán)工藝和外循環(huán)工藝，兩種工藝所循環(huán)利用的燒結(jié)熱廢氣溫度約為150℃～300℃，這與環(huán)冷機(jī)低溫?zé)釓U氣或高溫段熱廢氣經(jīng)余熱利用之后的熱廢氣溫度相當(dāng)。同時(shí)，由于環(huán)冷機(jī)低溫?zé)釓U氣或經(jīng)余熱利用后的熱廢氣含O2約為16%～21%，正好解決了煙氣內(nèi)、外循環(huán)工藝所取燒結(jié)煙氣O2含量不足的問題，所以在采用煙氣循環(huán)燒結(jié)工藝時(shí)會(huì)將環(huán)冷機(jī)低溫?zé)釓U氣或經(jīng)余熱利用后的熱廢氣，與燒結(jié)煙氣一起混合后返回?zé)Y(jié)機(jī)物料面參與燒結(jié)，使用后都能降低固體燃料消耗，增產(chǎn)提質(zhì)減排，清潔燒結(jié)生產(chǎn)，值得廣泛普及采用。

3.4 用于火車解凍庫(kù)輔助熱源

北方的冶金企業(yè)為了應(yīng)對(duì)冬季火車廂內(nèi)物料被凍板結(jié)現(xiàn)象，大都采用設(shè)置解凍庫(kù)的方式來(lái)解決該問題，隨著對(duì)環(huán)冷熱廢氣有了嶄新認(rèn)識(shí)后，環(huán)冷機(jī)低溫?zé)釓U氣已被選為輔助熱源，甚至將環(huán)冷機(jī)高溫?zé)釓U氣送到火車解凍庫(kù)作為單一熱源，或?qū)⒏邷責(zé)釓U氣經(jīng)余熱利用后再送往解凍庫(kù)作為熱源。

因環(huán)冷機(jī)熱廢氣作為火車解凍庫(kù)熱源利用的方式受地域和季節(jié)限制，為了提高熱利用效率，最佳方案是無(wú)論選取環(huán)冷機(jī)低溫段熱廢氣還是高溫段熱廢氣，或者是高溫段熱廢氣經(jīng)余熱利用后，都應(yīng)設(shè)置切換閥，在冬季需要時(shí)將熱廢氣送往解凍庫(kù)用于物料解凍，在不需解凍物料的時(shí)候，可將這部分熱廢氣另作他用。同時(shí)，在輸送熱廢氣至解凍庫(kù)的路由上，宜采用除塵及管道自沉降措施，可起到回收粉塵和保護(hù)環(huán)境的作用。

3.5 用于烘干塊礦

塊礦因其較好的品位及抗壓性能，可直接入高爐使用，而隨著環(huán)保對(duì)燒結(jié)、球團(tuán)生產(chǎn)工序的限制，冶金企業(yè)對(duì)塊礦的需求增加已成為新常態(tài)。但由于塊礦含粉率高、水分大、粘振動(dòng)篩等多方面因素，會(huì)對(duì)高爐燃料消耗和爐況順行產(chǎn)生不利影響，直接導(dǎo)致高爐塊礦配比不足。

為了用好塊礦，冶金企業(yè)針對(duì)塊礦含粉率和水分控制采取了一系列措施，比如將高爐熱風(fēng)爐產(chǎn)生的熱廢氣引至高爐料倉(cāng)用于烘干塊礦，或者在塊礦堆場(chǎng)設(shè)置塊礦烘干篩分系統(tǒng)等。有鑒于此，將環(huán)冷機(jī)熱廢氣用于烘干塊礦這一思路是可行的，可選取環(huán)冷機(jī)低溫段熱廢氣、高溫段熱廢氣，或者是高溫段熱廢氣經(jīng)余熱利用后的煙氣，將其輸送至高爐料倉(cāng)或塊礦堆場(chǎng)用于塊礦烘干，目前該方法已在某企業(yè)1800m3高爐予以應(yīng)用，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能環(huán)保效益，值得借鑒。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）環(huán)冷機(jī)零排放技術(shù)作為在某冶金企業(yè)率先使用的新技術(shù)，將環(huán)冷熱廢氣分余熱鍋爐產(chǎn)蒸汽、熱風(fēng)點(diǎn)火、熱風(fēng)循環(huán)（包含低溫余熱ORC發(fā)電）、串級(jí)利用四部分進(jìn)行充分利用，實(shí)現(xiàn)了環(huán)冷機(jī)熱廢氣零排放及粉塵不外排的目標(biāo)，值得在所有新建的燒結(jié)機(jī)上推廣應(yīng)用；環(huán)冷機(jī)低溫?zé)釓U氣用于有動(dòng)力型熱風(fēng)燒結(jié)新工藝，采用了總量控制、梯級(jí)取風(fēng)、均勻送風(fēng)等設(shè)計(jì)特點(diǎn)，在滿足燒結(jié)礦各項(xiàng)性能指標(biāo)前提下，達(dá)到了降低固體能耗、增加余熱利用率、實(shí)現(xiàn)環(huán)冷機(jī)無(wú)組織熱廢氣超低排放的目的，適用于新建和改建燒結(jié)機(jī)項(xiàng)目。

（2）環(huán)冷機(jī)低溫?zé)釓U氣用于熱風(fēng)點(diǎn)火，可提高燃?xì)馐褂眯?，?jié)省固體燃料消耗，但點(diǎn)火用助燃空氣量畢竟有限，仍有大量低溫?zé)釓U氣需自然排放，所以該技術(shù)最好與熱風(fēng)燒結(jié)或煙氣循環(huán)同步使用，效果會(huì)更顯著；環(huán)冷機(jī)低溫?zé)釓U氣用于煙氣循環(huán)，因其熱廢氣溫度與循環(huán)的燒結(jié)煙氣溫度相當(dāng)，且解決了煙氣內(nèi)、外循環(huán)所取燒結(jié)煙氣O2含量不足的問題，所以將其與燒結(jié)煙氣一起混合后返回?zé)Y(jié)機(jī)物料面參與燒結(jié)，使用后都能降低固體燃料消耗，增產(chǎn)提質(zhì)減排，清潔燒結(jié)生產(chǎn)，值得廣泛普及采用；環(huán)冷機(jī)熱廢氣用于火車解凍庫(kù)的輔助熱源，起到了解凍物料的效果，但受地域和季節(jié)限制，為提高熱廢氣的使用效率，最好設(shè)置回路來(lái)保證這部分熱廢氣不外排；環(huán)冷機(jī)熱廢氣用于烘干塊礦，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能環(huán)保效益，值得借鑒。

（3）燒結(jié)過程中由環(huán)冷機(jī)產(chǎn)生的熱廢氣循環(huán)利用是冶金企業(yè)節(jié)能的需要，文中所述的幾種方式僅供參考，期待有更多更好的再利用方法被冶煉從業(yè)者們發(fā)現(xiàn)、采用和推廣。